Разница между кислородом и углекислым газом | Сравните разницу между похожими терминами — Наука — 2022

Что такое углекислый газ?

Двуокись углерода — это трехатомная молекула, имеющая один атом углерода и два атома кислорода. Каждый атом кислорода образует двойную связь с углеродом. Следовательно, молекула имеет линейную геометрию. Молекулярная масса углекислого газа 44 г моль.-1.

Однако количество углекислого газа в атмосфере уравновешивает его содержание в атмосфере через углеродный цикл. Источники этого газа, который выбрасывает его в атмосферу, включают некоторые естественные процессы, такие как дыхание, извержение вулкана, а также деятельность человека, например, сжигание ископаемого топлива в транспортных средствах и на заводах.

Вмешательство человека (сжигание ископаемого топлива, вырубка лесов) вызывает дисбаланс в углеродном цикле, увеличивая выбросы CO.2 уровень газа. Следствием этого стали глобальные экологические проблемы, такие как кислотные дожди, парниковый эффект, глобальное потепление.

Что такое кислород?

Газообразный кислород — это двухатомный газ, в котором два атома кислорода связаны друг с другом двойной связью. Эти два атома кислорода связаны друг с другом ковалентной химической связью. Следовательно, молекула кислорода представляет собой молекулярное соединение (или ковалентное соединение). При стандартной температуре и давлении это соединение существует в газообразном состоянии.

Кроме того, наша атмосфера содержит около 21% этого газа. И он не имеет цвета и запаха. Это очень важно для жизни на Земле, потому что мы используем этот газ для клеточного дыхания. Более того, атомы кислорода являются важными компонентами биологических систем, включенных в биомолекулы, такие как углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.

С другой стороны, фотосинтез — это важный процесс, в котором растения используют энергию солнечного света для производства углеводов и кислорода из воды и углекислого газа. Аллотроп кислорода, озона, образует слой в верхних слоях атмосферы, который может защитить нас от вредных ультрафиолетовых лучей.

Вкратце, у этого газа есть несколько благоприятных характеристик; он легко растворяется в воде, что облегчает его транспортировку по всему человеческому телу с жидкостями организма. Кроме того, мы можем получить газообразный кислород высокой чистоты путем фракционной перегонки сжиженного воздуха.

В чем разница между кислородом и углекислым газом?

Газообразный кислород представляет собой двухатомный газ, в котором два атома кислорода связаны друг с другом двойной связью, тогда как диоксид углерода представляет собой трехатомную молекулу, имеющую один атом углерода и два атома кислорода. Следовательно, ключевое различие между кислородом и диоксидом углерода заключается в том, что кислород представляет собой двухатомную молекулу, имеющую два атома кислорода, тогда как диоксид углерода представляет собой трехатомную молекулу, имеющую один атом углерода и два атома кислорода. Кроме того, химическая формула газообразного кислорода — O2, а химическая формула газообразного диоксида углерода — CO2.

Кроме того, еще одно важное различие между кислородом и углекислым газом заключается в том, что содержание кислорода в воздухе сравнительно очень высокое (21%), чем содержание углекислого газа (0,03%). В качестве еще одного важного различия между этими двумя газами мы можем взять на себя роль каждого газа в процессе дыхания; мы вдыхаем кислородный газ, выдыхая углекислый газ.

Влияние углекислого газа на организм человека

Углекислый газ наравне с кислородом обеспечивает жизнь организма. Суть его работы сводится к высвобождению связанного гемоглобином кислорода – для питания тканей и отдельных органов. Для углекислоты важен в первую очередь баланс – количественное соотношение молекул СО2 и О2.

Он является для организма вазодилататором – веществом, которое влияет на состояния кровеносных сосудов, расширяя и расслабляя их. Это напрямую связано со снабжением кислородом при физической активности:

• в спокойном состоянии номинальное поперечное сечение артерии или капилляра находится в оптимальном размере;
• при необходимости приложения физической силы (спасение жизни, полезная работа) содержание углекислоты в крови несколько повышается – это регулируется вне зависимости от желания человека;
• стенки сосудов расслабляются и смягчаются из-за специфичного действия газа;
• происходит увеличение поперечного сечения сосуда, из-за чего мощность кровотока возрастает;
• как следствие повышается количество доставляемого к тканям ценного кислорода, питающего мускулатуру, что приводит к повышению физического ресурса.

Наблюдается также явление нецелевого повышения содержания углекислоты – при воспалительных процессов, при повреждении организма, проблемах с кровеносной системой вплоть до ишемии. Это чревато атипичным составом газового обмена и нуждается в регуляции силами медицины.

Несмотря на это газ всё же является компонентом «нормального» дыхания. Он переносится кровеносной системой и присутствует в плазме крови, гемоглобине и тканях. Интересно, что находится в организме он при парциальном давлении – во всём доступном пространстве, без скопления в отдельных областях.

Какой газ легче воздуха

Газы, которые легче воздуха, располагаются в начале периодической таблицы Д. И. Менделеева. Например, молекулярная масса водорода равна:

Mr (H2) = 2 * 1 = 2

Гелий также легче воздуха.

Mr (Hе) = 4

Диоксид углерода иногда оседает в нижних слоях атмосферы из-за того, что углекислый газ тяжелее воздуха. Существует эффект «собачьей пещеры», при котором диоксид углерод оседает на высоте полутора метров от поверхности земли. Взрослый человек не почувствует избыток углекислого газа в воздухе, а собаки из-за своего небольшого роста оказываются в слое диоксида углерода и, таким образом, отравляются.

Какой газ тяжелее воздуха

Многие газы в периодической системе Д.И. Менделеева имеют молекулярную массу выше, чем у воздуха. Например, масса кислорода равна:

Mr (O2) = 2 * 16 = 32

Хлор тяжелее воздуха.

Mr (Cl2) = 2 * 35,5 = 71

Лабораторные способы получения

Наиболее устойчивый и эффективный (по сочетанию трудозатрат и количества продукта на выходе) способ искусственного получения – работа с аппаратом Киппа.

Устройство рассчитано на создание контролируемого воздействия жидкой среды на твёрдое. В данном случае – обработка концентрированной соляной кислотой дроблёных кусков и мелкой фракции мрамора. Также будут полезны сода и обычный мел.

Для исследовательских целей быстрее всего взять готовый газ в баллонах – он чище и будет подаваться под необходимым давлением.

Общая характеристика элементов iva группы

От C к Pb (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств.
Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Из элементов IVа группы углерод и кремний относятся к неметаллам, германий, олово и свинец — металлы.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns2np2:

• C — 2s²2p²
• Si — 3s²3p²
• Ge — 4s²4p²
• Sn — 5s²5p²
• Pb — 6s²6p²

Оксид углерода ii — сo

Оксид углерода II — продукт неполного окисления углерода. Несолеобразующий оксид. Это чрезвычайно опасное вещество часто образуется
при пожарах в замкнутых помещениях, при прогревании машины в гараже.

Получение

В промышленности угарный газ получают восстановлением оксида углерода IV или газификацией угля (t = 1000 °С).

CO2 C → (t) CO

C H2O → (t) CO H2

В лаборатории угарный газ получают при разложении муравьиной кислоты в присутствии серной:

HCOOH → (H2SO4) CO H2O

Химические свойства

Полностью окисляется до углекислого газа в реакции с кислородом, восстанавливает оксиды металлов.

CO O2 → CO2

Fe2O3 CO → Fe CO2

FeO CO → Fe CO2

Образование карбонилов — чрезвычайно токсичных веществ.

Fe CO → (t) Fe(CO)5

Оксид углерода iv — co2

Продукт полного окисления углерода. Относится к кислотным оксидам, соответствует угольной кислоте H2CO3. Бесцветный газ,
без запаха.

Получение

В промышленности углекислый газ получают при разложении известняка, в ходе производства алкоголя, при спиртовом брожении глюкозы.

CaCO3 → (t) CaO CO2↑

C6H12O6 → C2H5OH CO2↑

В лабораторных условиях используют реакцию мела (мрамора) с соляной кислотой.

CaCO3 HCl → CaCl2 H2O CO2↑

Углекислый газ образуется при горении органических веществ:

C3H8 O2 → CO2 H2O

Химические свойства

• Реакция с водой

В результате реакции с водой образуется нестойкая угольная кислота, которая сразу же распадается на воду и углекислый газ.

CO₂ H₂O ⇄ H₂CO₃

• Реакции с основными оксидами и основаниями

В ходе реакций с основаниями и основными оксидами углекислый газ образует соли угольной кислоты: средние — карбонаты (при избытке основания),
кислые — гидрокарбонаты (при избытке кислотного оксида).

2KOH CO₂ → K₂CO₃ H₂O (соотношение основание — кислотный оксид 2:1)

KOH CO₂ → KHCO₃ (соотношение основание — кислотный оксид 1:1)

Na₂O CO₂ → Na₂CO₃

• Окислительные свойства

При нагревании способен окислять металлы до их оксидов.

Zn CO₂ → (t) ZnO CO

Получение

Углерод получают в ходе пиролиза углеводородов (пиролиз — нагревание без доступа кислорода). Также применяется получение углеродистых соединений:
древесины и каменного угля.

C2H6 → (t) C H2 (пиролиз этана)

Получение углекислого газа

Одной из основных проблем современной экологии является повсеместное образование углекислого газа в техногенной сфере: дымовые и топочные газы, продукты разнообразных химических реакций, функционирование транспорта и промышленности, строительная (производство цемента) и пищевая (брожение алкоголя) отрасли отличаются больше других.

Мировая общественность регулярно пишет о снижении выбросов carbon dioxide, но для науки и техники газ имеет значительное практичное значение.

Это может быть полезно — Poxipol — инструкция по применению

Применение углекислого газа

Что такое углекислота с практической точки зрения? Это – газовая защита от окружающего воздуха и вызываемых им процессов:

• перевозка и хранение различных пищевых продуктов (полуфабрикаты, мясо, рыба), при этом наблюдается отсутствие появления плесени и гнили органики;
• внесение в напитки для придания им полезных свойств – отмечается благоприятное действие на организм газированной минеральной или сладкой воды;
• создание пищевых добавок для повышения сроков и условий хранения пищевых продуктов (к примеру, разрыхлитель Е290);
• изготовление кофе без кофеина (участвует в технологическом процессе удаления растворенного вещества);
• организация целебных ванн с углекислотой для поддержания и восстановления здоровья сердечно-сосудистой системы;
• целый спектр специализированных задач в медицине – к примеру, работа с образованиями в тканях, стимуляция дыхания;
• проверка морозоустойчивости резинотехнических изделий (в частности – автомобильные покрышки, которые испытываются с сухим льдом);
• испытания различного оборудования, механизмов и инструментов на предмет пониженных температур;
• изготовление и перезаправка углекислотных огнетушителей (наиболее эффективное средство тушения огня на электрооборудовании и горючих жидкостях);
• рабочая среда в пневматическом оружии;
• применение в качестве реагента для химических реакций с целью синтеза и производства солей, полимеров и различных волокон;
• очистка сточных вод от загрязнений;
• защита расплавленного металла сварочной ванны.

Также интересно использование для авиационного и судостроительного моделирования как вид источника энергии для двигателей с различным объёмом (до десятков см3).

Полезная статья — Как варить нержавейку электродом

Природные источники углекислого газа

В естественных условиях источниками углекислоты являются:

• дыхательные газообменные процессы у растений и животных: если с бактериями и млекопитающими всё понятно, то даже зелёные организмы выделяют этот газ;
• распад органических веществ на более простые продукты: в ходе химического (так называемое «естественное разложение») и термического (сгорание) преобразования образуется много СО2, и особенно много – при пожарах в лесах;
• выбросы вулканов, подземных и подводных источников: углекислый газ является компонентом выброса таких газов в большой концентрации.

Сюда также можно отнести содержание газа в различных углеродных ископаемых – от известняка до нефти. Помимо этого, его значительное количество оказалось растворённым в водах океанов и морей.

Природные соединения

В природе углерод встречается в виде следующих соединений:

• Аллотропных модификаций — графит, алмаз, фуллерен
• MgCO₃ — магнезит
• CaCO₃ — кальцит (мел, мрамор)
• CaCO₃*MgCO₃ — доломит

Промышленные способы получения

«Сырьё» для генерирования и сбора углекислого газа дают промышленные процессы и различные химические реакции при обработке ископаемых. Углекислоту возможно получать целым спектром способов:

• термическая обработка известняка: при обжиге сырьё распадается на углекислый газ и оксид кальция;
• физическое воздействие на дымовые газы: улавливаемые смеси пропускают через карбонатный раствор калия или моноэтаноламина, в результате чего образуется гидрокарбонат – при его нагреве или понижении давления воздуха вокруг него высвобождается СО2;
• пиролиз атмосферного воздуха: разделение с помощью нагрева и электрического тока на углекислоту, чистые кислород, азот, аргон и другие компоненты;
• пиролиз газовых продуктов брожения спиртов;

Об этих и некоторых других процессах снято множество видео.

Резюме — кислород против углекислого газа

Кислород и углекислый газ — это газообразные компоненты в воздухе атмосферы. Ключевое различие между кислородом и диоксидом углерода заключается в том, что кислород представляет собой двухатомную молекулу, имеющую два атома кислорода, тогда как диоксид углерода представляет собой трехатомную молекулу, имеющую один атом углерода и два атома кислорода.

Свойства углекислого газа

При большой концентрации углекислоты во вдыхаемом воздухе может наступить отравление. Признаками негативного воздействия СО2 на организм человека являются:

• Шум и гул в ушах.
• Обильный холодный пот.
• Потеря сознания.

Учитывая тот факт, что углекислый газ тяжелее воздуха, его концентрация в нижней части помещения будет более значительной. По этой причине, первую очередь симптомы отравления могут наблюдаться у животных и детей, а также у взрослых очень маленького роста.

Синдром больного здания

Этот феномен касается тех, кто продолжительное время находится в помещении. Проявляется он в неприятном самочувствии, вялости, тяжести в голове и даже заложенности носа. Интересно, что всё это очень быстро пропадает после выхода на улицу.

Суть проблемы – в повышенном содержании углекислого газа. Незаметная сложность любого здания в отношении здоровья – концентрация СО2, резко отличающаяся от нормы. Допустимые 600-800 ppm превращаются здесь в 1000-2000 ppm – это оказывает негативное и тормозящее воздействие на человека.

Решение – в вентиляции. При низком поступлении свежего воздуха содержание углекислого газа постоянно повышается – его необходимо «вымывать» проветриванием.

Углекислый газ в атмосфере

Углекислый газ в атмосфере находится в количестве до 0,045% — или порядка 800 миллиардов тонн только в виде газа. В воде и почве его ещё больше.

Сегодня это составляет порядка 400 ppm (400 миллионных частей). Для сравнения: 300-350 лет назад, до начала Великой индустриальной революции, когда в 17 веке был начато кардинальное преобразование мировой экономики в сторону индустриализации, этот параметр составлял около 250 ppm.

Интересно, что в черте города показатель доходит до 450-470 ppm, а в публичных заведениях по типу школы – 1000-1200 и более. Это говорит о негативном влиянии транспорта и скопления людей.

Несмотря на своё крошечное количество СО2 играет значительную роль для биосферы и экологии. Основная форма влияния – воздействие в качестве парникового газа:

• газ препятствует выходу инфракрасного излучения с планеты в окружающее пространство;
• температура атмосферы год за годом увеличивается;
• происходят изменения природных явлений и климата;
• текущий формат этих преобразований – ускоренное таяние ледниковых «шапок», повышение уровня Мирового океана и изменения в составе биосферы.

Учёные рассчитали, что без присутствия этого эффекта среднегодовая температура на поверхности планеты находилась бы ниже на 25-30°С.

Углекислый газ в помещении

В помещении основным источником образования СО2 являются люди. Ежечасно взрослый человек выдыхает до 20 литров (0,5 кубометров) газа в спокойном состоянии и до 35-40 литров при значительной физической активности.

В зависимости от характера комнаты диоксид углерода может дополнительно образовываться от действия газового котла и плиты.

Средняя допустимая плотность углекислого газа для помещения – от 600 ppm, в связи с чем необходимо регулярно проветривать все жилые и технические помещения, включать соответствующие системы вентиляции или просто ненадолго открывать окна.

Углекислый газ тяжелее чистого воздуха примерно в полтора раза, поэтому он скапливается в помещениях подвального и цокольного расположения.

Полезная статья — Как варить вертикальный шов электросваркой

Углекислый газ: получение в промышленности

Существует большое количество способов промышленного получения углекислоты. Наиболее рентабельными являются варианты добычи газа, основанные на получении СО2, который образовывается на химических производствах в виде отходов.

Газообразный оксид углерода (IV) получают из промышленного дыма способом адсорбции моноэтаноламина.  Частицы этого вещества подаются в трубу с отходами и вбирают в себя углекислоту. После прохождение через смесь CO2 моноэтаноламины направляются на очистку в специальные резервуары, в которых, при определённых показателях температуры и давления, происходит высвобождение углекислого газа.

Углекислый газ высокого качества получается в результате брожения сырья при изготовлении спиртных напитков. На таких производствах газообразный СО2 обрабатывают водородом, перманганатом калия и углем. В результате реакции получают жидкую форму углекислоты.

Твёрдое состояние СО2 или «сухой лёд» также получают из отходов пивоваренных заводов и ликероводочных производств. Это агрегатное состояние вещества в промышленных масштабах образуется в такой последовательности:

• Из резервуара, где происходит брожение, газ подаётся в ёмкость для промывки.
• Углекислота направляется в газгольдер, в котором подвергается воздействию повышенного давления.
• В специальных холодильниках СО2 охлаждается до определённой температуры.
• Образовавшаяся жидкость фильтруется через слой угля.
• Углекислота снова направляется в холодильник, где производится дополнительное охлаждение вещества с последующим прессованием.

Таким образом получается высококачественный «сухой лёд», который может использоваться в пищевой промышленности, растениеводстве или в быту.

Углекислый газ: хранение и транспортировка

Хранение СО осуществляется в баллонах чёрного цвета, на корпусе которых обязательно должна быть надпись «Углекислота».

Кроме этого, на ёмкости наносится маркировка, по которой можно получить информацию о производителе баллона, весе пустой ёмкости, а также узнать дату последнего освидетельствования. Нельзя использовать углекислотные баллоны, у которых:

• Истёк срок освидетельствования.
• Имеются повреждения.
• Неисправны вентили.

Транспортировка наполненных газом баллонов должна осуществляться по следующим правилам:

• Транспортировать ёмкости только в горизонтальном положении. Вертикальное размещение допускается только в том случае, если имеются специальные ограждения, которые препятствуют падению баллона во время перевозки.
• Для безопасного перемещения на баллонах должны быть резиновые кольца.
• Не допускать механических воздействий, а также чрезмерного нагрева.
• Запрещается перевозка углекислотных баллонов в торговых аппаратах.

Кроме этого, техникой безопасности запрещается переносить баллоны вручную или перекатывать их по земле.

Хранение баллонов с углекислотой может осуществляться как в специально оборудованных помещениях, так и под открытым небом. В зданиях ёмкости следует размещать на расстоянии не менее 1 метра от отопительных приборов. При хранении на улице необходимо оградить ёмкости от воздействия прямых солнечных лучей и осадков, поэтому размещать резервуары таким способом рекомендуется под навесом.

Углерод

Углерод — неметаллический элемент IV группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, является важнейшей частью всех органических
веществ в природе.

Угольная кислота

Слабая двухосновная кислота, существующая только в растворах, разлагается на воду и углекислый газ.

Химические свойства

• Качественная реакция

Определить наличие карбонат-иона можно с помощью кислоты: такая реакция сопровождается «закипанием» — появлением пузырьков бесцветного
газа без запаха.

MgCO₃ HCl → MgCl₂ CO₂↑ H₂O

Я не раз встречал описание реакций, связанных с этой кислотой, которое заслуживает нашего внимания. В задании было сказано, что
при добавлении к раствору гидроксида кальция углекислого газа осадок появлялся, при дальнейшем пропускании углекислого газа —
помутнение исчезало.

Это можно легко объяснить, вспомнив про способность угольной кислоты образовывать кислые соли, которые растворимы.

Ca(OH)₂ CO₂ → CaCO₃ (осадок выпадает)

CaCO₃ H₂O CO₂ → Ca(HCO₃)₂ (осадок растворяется)

• Средние и кислые соли

Чтобы сделать из средней соли (карбоната) — кислую соль (гидрокарбонат) нужно добавить угольную кислоту. Однако написать ее формулу
H₂CO₃ — ошибка. Ее следует записать в виде воды и углекислого газа.

Li₂CO₃ CO₂ H₂O → LiHCO₃ (средняя соль кислота = кислая соль)

Чтобы вернуть среднюю соль, следует добавить к кислой соли щелочь.

LiHCO₃ LiOH → Li₂CO₃ H₂O

• Нагревание солей угольной кислоты

При нагревании карбонаты распадаются на соответствующий оксид металла и углекислый газ, гидрокарбонаты — на карбонат металла, углекислый газ и воду.

MgCO₃ → (t) MgO CO₂

KHCO₃ → (t) K₂CO₃ CO₂↑ H₂O

Физические и химические свойства углекислого газа — интернет энциклопедия для студентов

Физические свойства

Основные свойства у углекислого газа следующие:

• превалирующее природное агрегатное состояние: газообразное;
• возможное изменение: переход в твёрдое кристаллообразное состояние (так называемый «сухой лёд») при охлаждении до минус 78°С или жидкое состояние при давлении около 60 атмосфер;
• особые признаки по вкусу и запаху в нормальном состоянии: отсутствуют;
• восприимчивость к электричеству: проводником не является, при образовании тлеющего разряда излучает светло-зелёное свечение;
• плотность: около 1,97 грамм на литр;
• растворимость в органических веществах: частичная;
• способность к горению: отсутствует, в его окружении горят редкоземельные и щелочные металлы.

Теплопроводностью почти не обладает.

Полезная статья — Сварка силумина

Химические свойства

• Реакции с неметаллами

При нагревании углерод реагирует со многими неметаллами: водородом, кислородом, фтором.

C H₂ → (t) CH₄ (метан)

2С O₂ → (t) 2CO (угарный газ — продукт неполного окисления углерода, образуется при недостатке кислорода)

С O₂ → (t) CO₂ (углекислый газ — продукт полного окисления углерода, образуется при достаточном количестве кислорода)

С F₂ → (t) CF₄

• Реакции с металлами

При нагревании углерод реагирует с металлами, проявляя свои окислительные свойства. Напомню, что металлы могут принимать только положительные
степени окисления.

Ca C → CaC₂ (карбид кальция, СО углерода = -1)

Al C → Al₄C₃ (карбид алюминий, СО углерода -4)

Очевидно, что степень окисления углерода в соединении с различными металлами может отличаться.

• Восстановительные свойства

Углерод — хороший восстановитель. С помощью него металлургическая промышленность справляется с задачей получения чистых металлов из их
оксидов:

Fe₂O₃ C → Fe CO₂

ZnO C → Zn CO

FeO C → Fe CO

Углерод восстанавливает не только металлы из их оксидов, но и неметаллы подобным образом:

SiO₂ C → (t) Si CO

Может восстановить и собственный оксид:

CO₂ C → CO

• Реакция с водой

Известная реакция взаимодействия угля с водяным паром, называемая также газификацией угля, торфа, сланца — крайне важна в промышленности:

C H₂O → CO↑ H₂↑

• Реакции с кислотами

В реакциях с кислотами углерод проявляет себя как восстановитель:

C HNO_3(конц.) → (t) CO₂ NO₂ H₂O

C HNO₃ → CO₂ NO H₂O

C H₂SO_4(конц.) → CO₂ SO₂ H₂O